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近年來，由于機器學習技術具有提高估計精度和系統魯棒性的潛力，因此將機器學習技術整合到導航系統中引起了極大的興趣。這篇博士論文研究了深度學習與饒黑化粒子濾波器的結合使用，以增強機載模擬任務中的地磁導航。

為便于評估所提議的導航系統，開發了一個仿真框架。該框架包括詳細的飛機模型、地球磁場的數學表示法以及從在線數據庫獲取的真實世界磁場數據。通過這種設置，可以準確評估擬議的 Geomagentic 架構在各種現實地磁場景中的性能和有效性。

這項研究成果證明了機器學習算法在提高地磁導航傳感器融合濾波器性能方面的潛力，并引入了一種新方法來提高現有地磁模型的分辨率，從而更好地描述這些模型中的磁場特征。這種融合使機載任務的慣性制導更加精確和穩健，從而為各種航空飛行器的先進、可靠導航系統鋪平了道路。

總之，本論文提供了一種將機器學習技術與傳統估算方法相結合的新方法，并采用一種新技術來獲取這些導航架構所需的更精確的地磁模型，從而為地磁導航研究的最新發展做出了貢獻。這項研究成果有望為民用和軍用航空應用開發先進的自適應導航系統。

隨著技術的不斷進步和日常對海洋資源的依賴，無人水面航行器（USVs）的作用成倍增加。目前，具有海軍、民用和科學用途的 USV 正在各種復雜的海洋環境中進行廣泛的作業，并對其自主性和適應性提出了更高的要求。USV 自主運行的一個關鍵要求是擁有一個多車輛框架，在此框架下，USV 可以在實際海洋環境中作為一個群體運行，并具有多種優勢，例如可以在更短的時間內勘測更廣闊的區域。從文獻中可以看出，在單體 USV 路徑規劃、制導和控制領域已經開展了大量研究，而在了解多載體方法對 USV 的影響方面卻鮮有研究。本論文整合了高效的最優路徑規劃、穩健的路徑跟蹤制導和合作性集群聚合方法等模塊，旨在開發一種新的混合框架，用于 USV 蟲群的合作導航，以實現海洋環境中的最優自主操作。

首先，設計了一種基于 A* 算法的有效而新穎的最佳路徑規劃方法，其中考慮到了與障礙物的安全距離約束，以避免在移動障礙物和海面洋流的情況下發生碰撞。然后，將這種方法與為 USV 開發的新型虛擬目標路徑跟蹤制導模塊相結合，將路徑規劃器的參考軌跡輸入制導系統。當前工作的新穎之處在于將上述集成路徑跟蹤制導系統與分布式集群聚集行為相結合，通過基于簡單電位的吸引和排斥功能來維持 USV 蟲群的中心點，從而引導 USV 集群進入參考路徑。最后，介紹了一個用于 USV 船隊合作導航和制導的最佳混合框架，該框架可在實際海洋環境中實施，并可在海上有效地實際應用。

任務規劃涉及將離散資產分配給優先目標，包括在復雜的環境條件下將這些資產動態路由到目的地。由于快速周轉的價值和模擬作戰環境的相對簡單性，人們非常有興趣通過添加人工智能 （AI） 的強化學習技術來改進任務規劃過程，這可以產生更好、更快或只是人類考慮的獨特解決方案。本報告描述了如何使用人工智能進行任務規劃，以及人工智能方法與更傳統的運籌學 （OR） 方法的比較。

任務規劃涉及將離散資產分配給優先目標，包括在復雜的環境條件下將這些資產動態路由到目的地。由于快速周轉的價值和模擬作戰環境的相對簡單性，人們非常有興趣通過添加人工智能 （AI） 的強化學習技術來改進任務規劃過程，這可以產生更好、更快或只是人類考慮的獨特解決方案。本報告描述了如何使用人工智能進行任務規劃，以及人工智能方法與更傳統的運籌學 （OR） 方法的比較。

本報告是五卷系列中的第五卷，探討了如何利用人工智能在四個不同領域協助作戰人員：網絡安全、預測性維護、兵棋推演和任務規劃。本報告主要針對那些對任務規劃、運籌學和人工智能應用感興趣的人。

研究問題

• 如何在任務規劃過程中使用人工智能？
• 應用于任務規劃的人工智能方式方法與傳統的 OR 方式方法相比有何不同？
• 人工智能是否可以改善任務規劃過程中的特定角色或任務？
• 在任務規劃過程中應用人工智能有哪些要求？

關鍵發現

• 與 OR 方法相比，人工智能的性能通常更差。考慮到OR涉及解決擺好姿勢的優化問題，這一結果并不奇怪。不過，人工智能可以更穩健，更能應對不斷變化的環境，因為 OR 解決方案只是為了解決靜態問題。
• 人工智能能夠在某些規劃任務中提供幫助，以這種方式使用人工智能將為未來人工智能的使用積累能力、經驗和用戶信任。任務路線規劃是人工智能應用范圍較窄的一個例子，尤其適用于動態威脅環境，在這種環境中，任務包進入復雜的防空環境，面臨突如其來的威脅。
• 用于任務規劃的人工智能需要開發基礎設施，將模擬環境與人工智能框架有效連接起來，而人工智能框架通常是用不同的編碼語言編寫的。幸運的是，這對每個模擬環境來說都是一次性投資。DAF 應考慮此類投資，并向政府和伙伴組織發布基礎設施。
• 在任務規劃和更廣泛的戰爭中實施人工智能不僅僅是創建一個獨立項目的問題。關鍵是要支持與其他工具的連接，并隨著新工具的發明不斷更新這些連接。如果沒有這種持續的支持和努力，人工智能的實際使用將不可避免地落后于近鄰對手。

建議

• DAF 應將強化學習（RL）任務規劃應用于無人駕駛系統的動態路線規劃，由操作員進行審查和判斷。目前，強化學習在任務規劃中的最佳應用是作為快速反應管理系統，對威脅做出動態響應。這既適用于機載無人機，也適用于能在數秒而非數分鐘內提供最新飛行計劃的總部。即使 RL 提供的是次優計劃，它也能建議立即采取行動；操作員可以利用快速反應所贏得的時間，采用當前的標準和首選方法制定更好的計劃。
• DAF 應該培訓對軍事任務規劃有深刻理解的人工智能專家。RL 是一個依賴經驗和啟發式方法的困難研究領域。由于需要特定的應用知識，研究工作變得更加復雜。對該領域缺乏了解的人可能無法識別不良狀態和行為，從而無法設計出合適的獎勵函數。
• DAF 必須優先考慮工具和軟件，不僅要創建工具和軟件，還要使這些資源具有可擴展性并可與現有系統連接。應擴展現有的模擬工具，使其與人工智能框架兼容。
• DAF 應持續監測人工智能 RL 的發展狀況。雖然人工智能在商業和研究領域發展迅速，但 DAF 仍需保持警惕，尋找機會整合新的進展。

美國空軍越來越關注人工智能（AI）在增強作戰各方面能力方面的潛力。在這個項目中，空軍要求蘭德公司的研究人員考慮人工智能無法做到的事情，以了解人工智能在作戰應用中的局限性。

研究人員沒有試圖確定人工智能的一般限制，而是選擇并調查了四個具體的作戰應用作為潛在用例：網絡安全、預測性維護、兵棋推演和任務規劃。選擇這些應用是為了代表各種可能的用途，同時突出不同的限制因素。在可以獲得足夠數據的三個案例中進行了人工智能實驗；剩下的兵棋推演案例則廣泛探討了如何應用或不能應用人工智能。

本報告是五卷系列中的第一卷，總結了所有應用案例的研究結果和建議。報告面向政策制定者、采購專業人員以及對將人工智能應用于作戰普遍感興趣的人員。

研究問題

• 哪些作戰應用可作為潛在用例？
• 訓練和測試人工智能系統需要哪類數據？
• 人工智能算法有哪些局限性？

主要結論

• 要識別適應性威脅，數據必須是最新的。分布偏移會降低模型性能，這是無法避免的，尤其是對于高維數據。
• 不能依靠人工智能分類算法來學習沒有教過的東西。人工智能無法預測或識別新型網絡攻擊。
• 數據必須可訪問且條件良好。相關的物流數據保存在多個數據庫中，通常條件不佳。如果沒有自動化的數據管道，就無法獲取足夠的數據來實現人工智能。
• 和平時期的數據不能替代戰時數據。人工智能無法彌補適當數據的匱乏。
• 數字化必須先于人工智能的發展。大多數兵棋推演不是在數字化環境中進行的，也不會生成電子數據。數字化是人工智能數據管道的先導。
• 需要新型數據。要實現人工智能，就需要人機交互（HCI）技術來捕捉兵棋推演中目前尚未捕捉到的方面。
• 人工智能遠未達到人類智能水平。因此，它不能代替人類，也不能應用人類的判斷。
• 要應對適應性威脅，數據必須是最新的。必須根據最新情況刷新模型，才能在動態威脅面前生存下來。
• 人工智能在戰術上很聰明，但在戰略上卻很幼稚。它往往通過進入對手的 "觀察、定位、決策、行動 "循環而取勝，而不是通過提出一個巧妙的大戰略。
• 與傳統優化方法相比，人工智能的準確性較低。但它的解決方案可能更穩健，也能更快達成。

建議

• 空軍部（DAF）應進行數據集細分測試，以確定人工智能系統分布偏移的重要性，并確定大致的衰減率和人工智能保質期。
• DAF 應進行人工智能試驗，以改進戰備備件包 (RSP) 的需求預測，并將概念驗證模型擴展到所有飛機。這可能需要在逐個部件、逐個平臺的基礎上進行。
• DAF 應考慮使用人工智能來解決更大的運籌問題，即選擇將哪些部件發送到哪里。
• DAF 應建立一個數據操作管道，以便對多個部件和平臺的飛機維護和 RSP 進行有效的回顧性分析。
• DAF 應將用于開發兵棋推演 AI 應用的資源集中在最有前途的領域：那些調查替代條件或用于評估有明確標準的領域；那些已經納入數字基礎設施（包括人機交互技術）的領域；以及那些定期重復的領域。
• 發展議程應更多地使用數字游戲基礎設施和人機交互技術，特別是在為系統探索和創新而設計的游戲中，以收集數據支持人工智能的發展。
• DAF 應更廣泛地利用人工智能能力來支持未來的兵棋推演工作。
• 國防和安全部隊應考慮如何利用人工智能為面臨突發狀況的無人機制定快速反應政策。
• DAF 應投資開發工具，將強化學習應用于現有的任務規劃模型和模擬中，如仿真、集成和建模高級框架（AFSIM）。

本論文開發了一個基于海底特征導航的模擬框架。使用自動潛航器（AUV）在海底定位感興趣的物品是一種對海軍大有裨益的能力。自動潛航器為消除勞動力需求提供了一個途徑，但其購置和維護成本仍然很高。解決這一問題的辦法是使用兩艘 AUV，其中一艘的能力更強，負責用信標尋找和標記海底物品。配備成本效益型傳感器的消耗性 AUV 將對威脅進行定位、識別和消除。利用海底成像技術將海底圖像與先驗圖像馬賽克關聯起來，再加上超短基線（USBL）信標，AUV 可以在沒有傳統導航系統的情況下完成具有挑戰性的任務目標。增量平滑與測繪 2（iSAM2）是一種同步定位與測繪（SLAM）技術，可用于 AUV 的位置定位，是一種適合實時導航操作的技術，具有圖像和 USBL 傳感功能。模擬框架能夠評估 AUV 的性能，同時將實際操作的風險降至最低。該框架由一個軟件架構組成，可使用與實際操作相同的軟件進行測試。本論文展示了這一框架，并對其在基于圖像的 SLAM 中的可用性進行了分析。

在未知和不確定的環境中開辟安全路徑是領導者-追隨者編隊控制的一項挑戰。在這種結構中，領導者通過采取最佳行動向目標前進，追隨者也應在保持理想隊形的同時避開障礙物。該領域的大多數研究都將編隊控制和障礙物規避分開考察。本研究提出了一種基于深度強化學習（DRL）的新方法，用于欠驅動自主水下航行器（AUV）的端到端運動規劃和控制。其目的是為 AUV 的編隊運動規劃設計基于行動者批判結構的最優自適應分布式控制器。這是通過控制 AUV 的速度和航向來實現的。在避障方面，采用了兩種方法。第一種方法的目標是為領導者和跟隨者設計控制策略，使每個領導者和跟隨者都能學習自己的無碰撞路徑。此外，跟隨者遵守整體編隊維護策略。在第二種方法中，領跑者只學習控制策略，并安全地帶領整個團隊向目標前進。在這里，跟隨者的控制策略是保持預定的距離和角度。在存在洋流、通信延遲和傳感誤差的情況下，展示了所提出方法在現實擾動環境下的魯棒性。通過大量基于計算機的模擬，對算法的效率進行了評估和認可。

該項目為與使用無人系統支持分布式海戰（DMO）有關的作戰概念和系統設計決策提供信息。研究通過系統地改變仿真模型中的系統設計特征和作戰活動，支持對無人系統（UVC）進行能力級分析。分析結果表明，UVC 可提高各種無人系統的作戰可用性（Ao）和使用時間（TOS），因為它可隨時進入維護、加油和重新武裝設施，而無需長時間前往岸基設施或分布式支援艦艇。在比較使用 UVC 的配置與在自適應兵力包 (AFP) 中分配無人系統支持的配置時，單個無人系統的 Ao 提高了 6% 到 31%。仿真模型分析確定了 UVC 架構，其中包括至少 8 個無人機發射回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個甲板井托架，以最大限度地提高 Ao。

在支持分布式海上作戰（DMO）時，無人系統有可能發揮兵力倍增器的作用，在提高殺傷力的同時降低有人系統的風險。然而，無人系統到岸基維護、加油和重新武裝設施的轉運時間減少了可用于支持執行 DMO 的自適應兵力包（AFP）的總體駐扎時間（TOS）。本項目研究了無人水面艦艇 (USV)、無人水下航行器 (UUV) 和無人機 (UAV) 在美國海軍現有艦艇上的集成問題，該艦艇已被重新改裝為無人載具 (UVC)。在本報告中，"UxV "一詞用于描述無人系統這一類別。

如 Van Bossuyt 等人（2019 年）所述，項目團隊采用了系統定義、系統建模和系統分析的通用系統工程流程序列。在系統定義過程中，項目團隊重點開發了作戰概念（CONOPS），并定義了 UVC 的系統要求。系統建模活動的重點是構建 UVC 的離散事件仿真模型。在系統分析階段，團隊利用所開發的模型來評估 UVC 的各種設計參數對每種無人系統類型的運行可用性（Ao）的影響。

A. 系統定義

在系統定義階段，從自上而下和自下而上的角度開發和考慮了 UVC 要求。從自上而下的角度來看，團隊分析并確定了滿足總體任務有效性目標所需的能力，而與任何現有的候選平臺無關。從自下而上的角度來看，團隊評估了一艘登陸直升機船塢（LHD）艦，以確定該平臺可實現的最大 UVC 能力。通過查閱文獻和分析利益相關者的需求，項目團隊確定了 UVC 的以下關鍵能力：指揮與控制 (C2)、UxV 發射、UxV 維護和 UxV 回收。根據設想，UVC 將包括著陸甲板無人機發射和回收站、無人機維護/布防/燃料艙、用于大型 USV/UUV 操作的船舷艙或站，以及用于小型 USV/UUV 操作的井甲板艙。

B. 系統建模

項目構想將 UVC 視為針對地面和岸上敵對兵力實施 DMO 的 AFP 的一部分。UVC 的作用是支持 UxV 對敵方岸基導彈基地進行偵察和打擊。在打擊階段之前、期間和之后，UxV 提供全天候的情報、監視和偵察（ISR）、目標定位和戰損評估服務。UVC 的總體目標是通過消除到岸基支持設施的較長運輸時間來增加 UxV 的全時服務時間。為實現這一總體目標，研究小組選擇 "航程 "和 "持續停留時間 "作為性能指標（MOP），并選擇 "UxV 任務時間"、"UxV 停機時間 "和 "維護灣利用率 "作為效果指標（MOE）。

設計并開發了一個離散事件仿真模型，用于分析 UVC 設計參數對 MOP 和 MOE 的影響。該模型是通過 ExtendSim10 建模程序開發的。該模型包括 UxV 發射和回收、UxV 維護活動以及 UxV 重新武裝和加油活動。UxV 的發射時間表和總模擬運行時間是根據擬議的 UVC CONOPS 制定的。目前，該模型并未考慮 UxV 的損失或故障；這是未來可能開展工作的一個領域。模型的主要輸出是每種 UxV 的 Ao。

C. 系統分析

為了廣泛探索實驗空間，同時減少試驗總數和模型運行時間，我們專門設計了一個填充空間的拉丁超立方設計。每次試驗重復模擬 30 次并收集結果。合并所得的 Ao 值，得出每個試驗的統計平均值。

分析結果表明，UVC 可隨時提供維護、加油和重新武裝設施，而無需在岸基設施或分布式支援艦艇之間進行長時間的轉運，從而改善了每種 UxV 的 Ao 值和 TOS 值。對于任何特定的 UxV，通過增加 UVC 發射、回收和維護站的數量，從而消除或減少這些服務的排隊時間，可獲得最大的 Ao。分析表明，UVC 在設計時應至少配備 8 個無人機發射/回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個焊接甲板托架。這些參數沒有確定上限，這也是未來研究的一個潛在領域。

有趣的是，雖然 UVC 的存在改善了大型無人水面艦艇（LUSV）的航速，但 UVC 的實際設計似乎對 LUSV 的航速沒有影響。這可能是由于 LUSV 的假定任務持續時間長，假定維護間隔長，因此不可能出現任何排隊現象。單個船側停泊區似乎足以為多艘 LUSV 提供服務，但即使是單個船側停泊區，也可通過消除到岸基設施的轉運時間來改善 Ao。

合成孔徑雷達（SAR）圖像中基于人類的目標檢測是復雜的、技術性的、費力的、緩慢的，但時間很關鍵，是機器學習（ML）的完美應用。訓練一個用于目標檢測的ML網絡需要非常大的圖像數據集，這些數據集中嵌入了準確和精確標記的目標。不幸的是，不存在這樣的SAR數據集。因此，本文提出一種方法，通過結合兩個現有的數據集來合成寬視場（FOV）SAR圖像： SAMPLE，由真實和合成的單物體芯片組成，以及MSTAR雜波，由真實的寬視場SAR圖像組成。合成目標使用基于閾值的分割從SAMPLE中提取，然后再與MSTAR雜波中的斑塊進行α-混合。為了驗證新的合成方法，使用一個簡單的卷積神經網絡（CNN）創建了單個物體芯片并進行了分類；針對測量的SAMPLE子集進行測試。還開發了一種新穎的技術來研究深層的訓練活動。擬議的數據增強技術使測量的SAR圖像分類的準確性增加了17%。這一改進表明，來自分割和混合的任何殘余偽影都不會對ML產生負面影響，這對于未來在廣域SAR合成中的使用是很有希望的。

"在MSTAR數據收集期間拍攝的M1的EO圖像（a，c）和同一車輛的真實CAD模型（b，d）從兩個角度進行了比較。請注意，即使是小的細節，如火炮的位置、艙門和車輛側面的電纜，在兩張圖像之間也很一致。提供CAD模型的顏色是為了識別零件組裝，并不表示任何影響電磁模擬的具體屬性" [10]。

"SAMPLE數據集中每個飛行器的一個圖像的例子。測量的MSTAR圖像在最上面一行，相應的合成圖像在最下面一行....，我們看到諸如陰影、方向和相對回波幅度等細節都很一致"[10]。

本報告總結了迄今為止在路線偵察領域的本體開發的進展，重點是空間抽象。我們的重點是一個簡單的機器人，一個能夠感知并在其環境中導航的自主系統。該機器人的任務是路線偵察：通過觀察和推理，獲得有關條件、障礙物、關鍵地形特征和指定路線上的敵人的必要信息。路線偵察通常是由一個排的騎兵和非騎兵進行的。這項研究探討了機器人執行部分或全部必要任務的合理性，包括與指揮官進行溝通。

1.1 背景與動機

這是一項具有挑戰性的對抗性任務，即地形穿越加上信息收集和解釋。偵察的解釋方面需要考慮語義學--確定相關的信息和確定它如何相關（即有意義）。語義信息在本質上是定性的：例如，危險是一個定性的概念。為了將危險與某些特定的區域聯系起來，我們需要一種方法來指代該區域。這意味著至少能夠給空間的某些部分附上定性的標簽。

Kuipers在他的空間語義層次的早期工作中指出了空間的定性表示對機器人探索的重要性。例如，層次結構的拓撲層次包含了 "地方、路徑和區域的本體"，歸納產生了對較低層次的因果模式的解釋。

最近，Izmirlioglu和Erdem為定性空間概念在機器人技術中的應用提供了以下理由：

• 各種任務，如導航到一個目的地或描述一個物體的位置，涉及處理物體的空間屬性和關系。......或某些應用（如探索未知環境），由于對環境的不完全了解，可能并不總是有定量的數據。......可理解的相互作用和可接受的解釋往往比高精確度更可取（Kuipers 1983）。對于這些應用，定性的空間關系似乎更適合。

對于負責路線偵察的無人地面車輛（UGV）來說，其架構中的不同模塊將消費和產生語義信息：負責語義感知和目標識別、計劃和執行、自然語言對話等的模塊，加上主要負責維護信息的語義世界模型。例如，在美國陸軍作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室的自主架構中，語義/符號世界模型被用來 "實現符號目標（例如，去接近一個特定的物體）"，*其中接近是一個語義概念。

一個關鍵問題是如何在世界模型和其他模塊之間分配維護和處理不同類型語義信息的責任。從語義世界模型的角度來看，這取決于有多少符號推理是合適的。例如，假設要接近的物體位于一個給定區域的某個位置，而不是靠近該區域的外部邊界。一旦機器人靠近物體，就可以推斷出機器人在物體的位置附近，而且也在同一區域內。如果有公制信息，就可以用幾何例程得出這個結論。在沒有公制信息的情況下，是否會出現在純粹的定性空間中推斷有用的情況？

本報告不涉及這個問題。我們的目標是確定什么應該被代表，而把如何代表和在哪里代表留給未來的工作。

1.2 路線偵察

以下片段取自FM7-92中對路線偵察的描述。空間表達是彩色的，周圍有一些文字作為背景。

• 路線偵察的重點是獲得關于一條指定路線和敵人可能影響沿該路線移動的所有地形的信息。路線偵察的方向可以是一條道路、一條狹窄的軸線（如滲透通道），或一個總的攻擊方向......防御陣地。......部隊可以機動的可用空間......所有障礙物的位置和類型以及任何可用的繞道位置。障礙物可包括雷區、障礙物、陡峭的峽谷、沼澤地或核生化污染 ......沿途和鄰近地形的觀察和火力范圍 ......沿途提供良好掩護和隱蔽的地點 ......。橋梁的結構類型、尺寸和分類。著陸區和接駁區。與路線相交或穿越的道路和小徑。. . 如果建議路線的全部或部分是道路，則該排認為該道路是一個危險區域。它使用有掩護和隱蔽的路線與道路平行移動。當需要時，偵察和安全小組靠近道路，以偵察關鍵區域。

路線偵察的結果是一份報告，以圖表的形式，并附有文字說明。FM7-92給出了一個例子，我們可以從中提取一些更必要的概念：

• 網格參考。磁性北方箭頭..道路彎道..陡峭的坡度..道路寬度的限制（橋梁，隧道等）..岔道的位置..隧道..

讓我們把這段關于路線偵察的描述中提到的概念建立一個綜合清單，重點放在空間概念上，并盡可能地保留軍事術語:

1）必須指定環境中的位置、路線、區域和感興趣的物體。稱這些為 "實體"。

2）這些實體之間的空間關系是相關的（例如，一個地點在另一個地點的北邊）。值得注意的是，不同類型的實體之間的關系是被指定的。

a. 物體（例如，障礙物）在位置或區域。

b. 一些地點在空間上與路線有關（例如，沿著路線，毗鄰，或靠近道路）。

c. 地點可能代表更大的區域（例如，雷區的位置）。

d. 道路和小徑可以與路線相關：它們可能相交、重疊（部分疊加），或平行運行。

3. 一些實體對路線具有戰術價值，無論是進攻還是防御（例如，雷區）。

a. 一些地點相對于其他地點或區域有方向性的定位（例如，一個防御性的位置）。

b. 有些區域是由其與另一個區域或地點的關系來定義的，這可能不是一種局部的關系（例如，觀察和火力場是由一個潛在的遠程位置來定義的，該位置有一條通往路線上的一個區域的線路）。

4）路線可能被障礙物阻擋，障礙物可能是明確的物體或更大的區域（例如，一個障礙物與一個雷區）。

5. 路線和地形的三維幾何特性是相關的：道路上的急轉彎，陡峭的坡度，等等。

6）有時，描述物理基礎設施（如道路、橋梁）及其屬性是很重要的。

1.3 路線偵察抽象

路線偵查收集和解釋不同種類和不同來源的信息:

• 背景知識。這包括關于環境特征的類型和預期成為任務一部分的物體的信息，包括道路、障礙物、溝壑、橋梁等等。

• 任務規范。確定偵查的區域和路線，以及當時可獲得的任何信息。

• 環境。通過空間分析（包括幾何學、拓撲學等）、感知、地圖衛星數據的離線圖像處理和其他類型的分析，確定環境的相關特征。

• 任務執行期間的通信。我們假設指揮官或人類操作員在偵察過程中可以向UGV提出詢問或命令，提供新信息或集中注意力。

• 如前所述，一份報告。

原則上，所有這些信息都以某種抽象的形式組合在一個語義世界模型中。我們把環境的物理屬性和特征稱為 "實體"。把我們用來表示這些實體和它們之間關系的抽象概念稱為 "概念"。

不同類型的實體的概念。層次結構在語義表征中很常見，用來捕捉關于世界上遇到的實體類型的一般知識。一個類型就是一個概念，類型被組織在一個層次中：MRZR是一種輕型的、戰術性的、全地形的車輛，它是一種輪式地面車輛，它是一種地面車輛的類型，等等。屬性和關系可以與一個給定的概念相關聯，而下級概念則繼承這些屬性。在路線偵察中，如果有信息說某一地區有一條道路，但沒有更多的細節，仍然可以從道路的概念中推斷出它的預期屬性：它比它的寬度長得多；它在人們感興趣的地點之間通向；在其他條件相同的情況下，它可能比周圍的地形行駛得快。從實用的角度來看，這意味著如果有可能將某物歸類為一個已知的概念，那么語義世界模型就不需要記錄關于該物的每一條相關信息。

用于實體的目的和用途的概念。一個代表道路典型用途的概念可以進一步區分其長度和寬度的語義，這反過來又導致了跨越和沿途、穿越和跟隨等概念之間的區別。這將使UGV能夠以不同的方式對待 "偵察道路對面的區域 "和 "偵察前方的道路 "的命令。前方的道路也是一個語義概念：它取決于對過去去過的地方的了解。

代表部分信息的概念。有時可能會有定性的信息。想象一下，任務規范的一部分是關于雷區在計劃路線上存在的信息，但不知道具體位置，或者知道雷區的位置，但不知道其范圍。這種無知可以很容易地在代表實體的概念中得到體現。

新概念適用于新環境。另一個交流的例子可能是信息性的。想象一下，當一輛UGV穿越一條東西走向的道路時，它與遠程指揮官進行交流，指揮官問道："道路北側是什么？"* 需要識別的物體可能不在道路和地形的邊界上（與 "建筑物的一側 "形成對比），而是在以道路邊緣為界的某個感興趣的區域內，距離UGV的位置向北不遠，向東和向西也有一些距離。這個區域可能沒有事先作為一個概念被劃定；相反，它是在當前的背景下構建或推斷出來的。這是一個有趣的例子，一個概念不是從公制數據中抽象出來的，而是被強加在公制數據上的。

背景中的概念的適應和組合。想象一下，對一張地圖的分析產生了對代表區域、道路等等的概念的分解。這些概念可能直接適用于某些目的。例如，與道路相聯系的概念在推理兩點之間的導航時是有用的。然而，在其他情況下，這些概念可能需要調整或與其他概念相結合。例如，如果一條道路被指定為 "危險區域"，那么這個區域的概念可能會超出道路的邊界，延伸到周圍的地形。

在有環境因素的城市區域內安全有效地使用四旋翼飛行器，對美國軍事和民用部門具有巨大的重要性。本技術報告探討了一個高度適應性的模擬設置，其中有一個包含學習元素的非線性控制器。其他模型因素--如無人機的幾何形狀、權重和風的力量--在所提出的框架內很容易被修改。用虛幻引擎進行的模擬，可以結合現實世界的城市數據、現實的風和現有的開源軟件。

引言及與美國陸軍的相關性

無人系統和無人駕駛航空系統（UAS）的使用在全世界的軍隊中激增，在通信、監視、偵察和戰斗中都有應用（Nacouzi等人，2018）。在敵對地區，無人機系統將受到多種威脅，包括網絡和物理威脅，以及環境危害。生存和任務的成功往往取決于以最小的通信或依賴全球導航衛星系統（GNSS）的能力，如GPS（Guvenc等人，2018；Sathyamoorthy等人，2020；Fan等人，2022）。例如，無人機系統的通信可用于檢測和獲得無人機系統的位置，而基于衛星的導航很容易被欺騙或干擾，因為信號非常弱。其他傳感器也經常被用來增強GNSS的位置分析，并可以用來取代它，如光學系統--包括照相機、雷達、光探測和測距（LiDAR）系統和慣性測量單元（IMU）（Angelino等人，2012）。這些都提出了自己的挑戰。慣性測量單元是標準設備，但只能檢測線性和角加速度，同時通過檢測地球的局部磁場來確定方向（共9個自由度）。因此，位置誤差，即測量的加速度的第二個時間積分，會隨著時間的推移而累積。在使用IMU進行UAS導航時，其他令人擔憂的來源包括環境影響（即風或降水）。 UAS結構的物理變化，如增加一個傳感器或武器包，包括武器發射后的變化，使工作進一步復雜化。這種質量和質量分布的變化改變了UAS的質量中心和慣性張量。光學傳感器、雷達和LiDAR系統增加了重量，并經常發射射頻或光，使它們更容易被探測到和/或需要處理資源。增加的重量和/或處理可能對電池壽命產生不利影響，從而影響運行時間和整體可靠性。

為了解決這些問題，我們正在研究在大風環境中使用控制算法，以了解IMU信號如何在控制中被用來考慮（和/或改變）UAS的位置計算。再加上不確定性措施，這些最終可用于檢測UAS飛行性能的變化，或對GNSS信號的欺騙。

城市環境是安全和可靠的無人機系統運行的第二個關注領域（Watkins 2020）。它們被認為是國防部行動的一個挑戰領域，也是政府和商業服務的一個巨大的技術增長領域。在這份報告中，我們展示了一個模擬空間，我們正在建立專門用于模擬城市環境中的無人機系統，以解決自主和半自主控制的問題，重點是環境的相互作用，包括風和靜態碰撞威脅。物理學和控制的關鍵部分直接用C++實現。除此之外，在可能的情況下，我們正在利用當前的免費和開源資源（即軟件、軟件框架和數據），但要注意的是，我們包括使用一些在產品商業化成功后需要付費的工具。我們采取了一種模塊化的方法，隨著其他軟件框架和系統的成熟，將能夠靈活地過渡到其他軟件框架和系統。我們目前的系統已經基于用于小型無人機系統的PX4控制器庫和實時發布-訂閱（RTPS）數據傳輸協議。RTPS應能使我們的發展在其他工具成熟時過渡到其他工具，并使用通用的應用編程接口（即API）過渡到其他工具和數據，如計算的風數據。對于圖形和用戶界面，我們使用虛幻引擎（UE）（Matej 2016），這是一個游戲引擎，提供最先進的圖形功能和我們的模型中使用的一些物理學--最重要的是無人機系統和其環境之間的碰撞檢測。

第2-4節詳細介紹了整個模擬的主要計算部分：納入現實世界的城市數據，生成現實的風模型，無人機的幾何和物理建模，以及線性和非線性控制。我們對整體模擬的這些主要部分中的每一個都依賴開源軟件，如UE、OpenStreetMap（OSM）（Anderson等人，2019年）、Mapbox和AirSim（Shah等人，2017年），并根據需要詳細說明（見圖1；例如，真實城市的模型導入游戲引擎中）。第5節和第6節提供了樣本結果和結語。

圖1 將城市數據納入UE進行大規模模擬的兩個例子。伊利諾伊州的芝加哥（上）；弗吉尼亞州的水晶城（下）。這兩張圖片都是使用開源工具創建的，將開源的Mapbox城市數據導入UE中。